L’esperimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ha presentato in un articolo, pubblicato di recente su Nature, la ricerca più sensibile mai condotta finora sui neutrini sterili, particelle previste teoricamente che se osservate potrebbero aprire le porte a nuova fisica, oltre il modello standard delle particelle elementari.
I neutrini sono tra le particelle più elusive dell’universo, difficilissime da rivelare e per questo ancora avvolte da grandi misteri. Uno tra questi è legato all’esistenza di un quarto tipo di neutrino, detto “sterile”. Ad oggi, abbiamo osservato infatti solo tre tipi di neutrino, che interagiscono con la materia attraverso la forza debole: elettronico, muonico e tauonico. Sono quasi identici tra loro, ma hanno una sola differenza: quando interagiscono con la materia producono rispettivamente un elettrone, un muone o un tauone. Nel loro percorso i neutrini possono trasformarsi, oscillare, da un tipo a un altro. E dal momento che alcuni esperimenti hanno osservato un’anomalia in questo processo di oscillazione, misurando la scomparsa di alcune di queste particelle, è stata prevista l’esistenza dei neutrini sterili. Questi neutrini sarebbero diversi da quelli conosciuti finora perché, ad esempio, interagirebbero con la materia solamente attraverso la forza di gravità, e non attraverso la forza debole.
Cercare di confermare l’esistenza di queste misteriose particelle è proprio l’obiettivo dell’esperimento KATRIN, la cui collaborazione scientifica internazionale conta 20 istituzioni di 7 paesi, tra cui l’Italia e l’INFN. KATRIN cerca di raggiungere questo obiettivo utilizzando il decadimento beta del trizio, un isotopo instabile dell’idrogeno. Nel decadimento beta, il trizio emette elettroni e neutrini. In questo decadimento potrebbero essere emessi occasionalmente dei neutrini sterili e la loro presenza si potrebbe rivelare analizzando lo spettro energetico di questi elettroni.
Nello studio appena pubblicato, la collaborazione KATRIN ha analizzato i dati relativi a 36 milioni di elettroni osservati in 259 giorni dal 2019 al 2021 e li ha confrontati con un modello di decadimento beta, raggiungendo un’accuratezza di misurazione senza precedenti (inferiore all’1%), e dimostrando che in questo set di dati non è stato trovato alcun segnale di neutrino sterile. Il risultato esclude un’ampia regione dello spazio dei parametri suggerita da precedenti anomalie e affermazioni di altri esperimenti che avevano riportato prove di un tale segnale.
A differenza degli esperimenti di oscillazione, che studiano come i neutrini cambiano sapore dopo aver percorso una certa distanza, KATRIN sonda la distribuzione di energia nel punto di creazione. Basandosi su metodi di rivelazione distinti, i due approcci si completano a vicenda e insieme forniscono un test potente che sfavorisce l’ipotesi del neutrino sterile.
“Nel 2026 potenzieremo l’esperimento installando un nuovo rivelatore, TRISTAN,” racconta Marco Carminati, responsabile INFN dell’esperimento KATRIN e professore al Politecnico di Milano. “TRISTAN è stato realizzato con un contributo estremamente rilevante dell’INFN e sarà in grado di registrare l’intero spettro di decadimento β del trizio con una statistica senza precedenti, arrivando a esplorare masse di neutrini sterili molto più elevate (nell’ordine dei keV) rispetto a quelle osservate finora.”
